單片機(jī)小白學(xué)步(20) IO口原理

IO口等效模型是本人獨創(chuàng)的方法，通過此模型，能有效的降低對IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)理解的難度。并且經(jīng)查閱資料確認(rèn)，這種模型和實際工作原理基本一致。

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前面說了很多東西，不少人或許已經(jīng)迫不及待的想要實際操作單片機(jī)了。IO口作為單片機(jī)與外界通信最主要的手段，是單片機(jī)學(xué)習(xí)最基本也最重要的一個知識。前面我們編程實現(xiàn)了IO口點亮LED的實驗，本篇繼續(xù)對IO口相關(guān)知識進(jìn)行介紹。

為了更好的學(xué)習(xí)IO口操作，有必要了解一下IO口的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相關(guān)概念。這些知識對于后續(xù)的學(xué)習(xí)很有幫助，重點是理解，完全不需要刻意去記。不記得就回來再看看就行了，用得多了自然就記住了。

官方資料（最權(quán)威準(zhǔn)確）

我們說過，要了解一個芯片，最準(zhǔn)確有效的方法，是查看官方給出的芯片手冊等資料。但是初學(xué)單片機(jī)，直接看芯片手冊資料恐怕很難弄明白，尤其是看到一堆英文、陌生的電路、名詞術(shù)語，如果是我，一定也會抓狂的。但是這里我還是給出一張從Atmel官方的《Atmel 8051 Microcontrollers Hardware Manual》中截取的圖片。

給出這張圖片并不是為了打擊大家學(xué)習(xí)熱情，而是希望大家能明白，我們所見過的各種單片機(jī)資料到底是怎么來的，到底是否準(zhǔn)確，這一切都可以通過官方資料弄清楚，對于大家以后深入學(xué)習(xí)一些東西有一定的幫助。

第二功能簡介

上圖正是官方給出的權(quán)威的51單片機(jī)IO口結(jié)構(gòu)圖。可以看出，單片機(jī)的四組IO口內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同，原因是有些IO口有第二功能，入門篇里面提到過。

還記得這張管腳圖嗎？括號中標(biāo)注的就是IO口的第二功能名稱。除了P1以外，每個接口都有第二功能。介紹單片機(jī)系統(tǒng)模塊時，我提到51單片機(jī)有預(yù)留擴(kuò)展存儲器的接口，正是圖中的P0和P1的第二功能（同時還要用到29、30等管腳）。因為用的不多，涉及知識也比較深入，就不做具體研究了。順便一提，其實這里我們看到的AD0~AD7，就是用于并行口的。而P3口的第二功能，就包括串口等，后面學(xué)到了還會具體介紹。

IO口等效電路

由于深入理解IO口的原理涉及到很多電路甚至微機(jī)原理相關(guān)知識，這里只做簡化介紹，能滿足絕大多數(shù)情況下的需要。作為普通IO口使用時，四個IO口的工作原理基本一致。

下面的圖是從前面圖中的P1電路中裁剪出來的，也是我們需要理解的關(guān)鍵。

右邊的P1.X表示P1的一個IO口，如P1.0；電阻右邊寫的英文是內(nèi)部上拉電阻的意思，之所以叫上拉電阻，是因為電阻的一端接在VCC上。下面的三角形表示接地，相當(dāng)于GND。除此之外，最關(guān)鍵的一個器件是下面這個。

這個器件的本質(zhì)是晶體管，起到電子開關(guān)的作用（如果想深入了解，可以學(xué)習(xí)模擬電路相關(guān)的知識，或者等到原理篇中介紹）。上面的電路可以大致等效成下圖。注意，這樣的結(jié)構(gòu)只是一個IO口，整個單片機(jī)中有32個這種結(jié)構(gòu)。

圖中的R為阻值10k的上拉電阻，S是由前面的晶體管等效的電子開關(guān)。藍(lán)色框中的部分在單片機(jī)內(nèi)部。

S的開關(guān)狀態(tài)由CPU控制。當(dāng)用程序設(shè)置P1.0管腳為低電平時，電子開關(guān)S閉合。實際上電子開關(guān)S閉合時，兩端還有很小的電阻。根據(jù)分壓原理，P1.0上會有一個很低的電壓，近似0V，已經(jīng)可以視為低電平了。當(dāng)設(shè)置管腳為高電平時S斷開，P1.0通過10k上拉電阻接到VCC上。如果用電壓表測量，因為電壓表內(nèi)阻很大，所以可以得出其電壓值為高電平。

IO口的輸出：點亮LED

前面介紹了點亮第一個LED的程序和電路。程序如下：

#include

sbit LED = P1^0;

void main()

{

LED = 0;

while(1);

}

電路關(guān)鍵部分如下，VCC通過1k電阻連接到LED正極，LED負(fù)極接到P1.0口：

在單片機(jī)執(zhí)行LED=0的時候，電子開關(guān)S就由CPU控制而閉合，P1.0上輸出低電平。電流通過1k電阻和LED流入P1.0，再經(jīng)過S流入GND，LED兩端有合適的電壓于是點亮。結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部IO口等效電路，整個電路如下圖

灌電流與拉電流

在上面的例子中，P1.0輸出低電平點亮LED。能不能反過來，P1.0輸出高電平點亮LED呢？我們可以考慮電路連接成下面這樣，并在程序中編寫LED=1。

當(dāng)執(zhí)行LED=1時，S斷開。電流通過10k上拉電阻R從P1.0流出，并進(jìn)入LED。由于上拉電阻的阻值太大，電流太小，導(dǎo)致LED不亮，或者亮度很微弱。所以通常不采用這種方法。

這兩種方法，前者電流從外部流入單片機(jī)內(nèi)部，我們稱之為灌電流接法；后者電流方向相反，稱為拉電流接法。對比可以看出，對于51單片機(jī)，灌電流接法電流較大，拉電流接法由于受到上拉電阻限制，電流較小。

在實際當(dāng)中灌電流的最大電流也是有限的，因為電子開關(guān)S中能通過的電流有限。根據(jù)STC官方的芯片手冊，對于STC單片機(jī)，建議單個IO口灌電流建議不超過20mA，所有IO口灌電流之和不超過55mA，否則容易燒壞IO口。而拉電流大小只有230uA左右。

上拉電阻/下拉電阻/高阻態(tài)

拉電流是從上拉電阻流出來的，能否提高拉電流大小呢？答案是可以。我們只需要在單片機(jī)外部再添加一個上拉電阻，就可以增大拉電流，并且能成功點亮LED，如下圖所示。

圖中的電路，相當(dāng)于R和R0并聯(lián)了，整個上拉電阻的阻值減小了。但是這樣做有個缺陷。在這個電路中，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時，S閉合，此時電流從VCC通過上拉電阻和S流入GND。此時雖然LED熄滅了，但是卻有較大電流通過上拉電阻而浪費掉。所以上拉電阻過大，會導(dǎo)致驅(qū)動力不足，而上拉電阻過小，又會在輸出低電平時浪費電能。

上拉電阻的作用是什么呢？對電路了解多一點的人很快能發(fā)現(xiàn)，如果沒有上拉電阻，IO口就無法輸出高電平，也就是下圖這樣的。開關(guān)閉合時能輸出低電平，但是開關(guān)斷開時，P1.0就懸空了，什么也沒連接。這時IO口的電壓就是不確定的了，這種狀態(tài)無法判斷它是低電平還是高電平，叫做高阻態(tài)。很巧的是，單片機(jī)的P0口確實就沒有上拉電阻，而其他三組IO口都有上拉電阻。所以當(dāng)P0輸出高電平，并且沒有外接上拉電阻時，就是高阻態(tài)，不能正常輸出高電平。后面我會通過具體例子來讓大家感受一下高阻態(tài)。

備注1：后續(xù)文章會詳細(xì)分析高阻態(tài)。

備注2：雖然P1.0似乎是同時連接到CPU的IO輸入端了，即圖中寫著“輸入”的綠色箭頭，但是這部分電路只有在讀取管腳輸入的時候才會導(dǎo)通，并且是單向的，可以想象成內(nèi)阻較大的電壓表輸入端。

備注3：如圖中所示，51單片機(jī)IO口工作在普通IO口狀態(tài)下，電子開關(guān)是用晶體管實現(xiàn)的（包括三極管和MOS管兩種）。圖中實現(xiàn)的這種電平輸出結(jié)構(gòu)，如果是MOS管實現(xiàn)，則被稱為漏極開路輸出(OD=Open Drain，或簡稱為“開漏”)，漏極是MOS管的一個管腳，對應(yīng)于圖中S和R的接點處。而如果是三極管實現(xiàn)，則稱為集電極開路輸出(OC=Open Collector)，兩者原理基本一致。后續(xù)文章會介紹三極管。

上拉電阻的存在，將原本的高阻態(tài)轉(zhuǎn)變成了高電平，也因此得名。和上拉電阻相對應(yīng)的，還有下拉電阻，區(qū)別在于下拉電阻另一端不是連接VCC而是接到GND。

IO口的輸入

IO口之所以叫IO口（IO=Input/Output），意味著它既可以輸出又可以輸入。前面講的都是IO口的輸出，下面講IO口的輸入。IO口的輸出我們通過LED來介紹，而IO口的輸入我們則通過開關(guān)來說明。在很多單片機(jī)中，IO的輸入和輸出需要通過電路切換，而對于51單片機(jī)來說，輸入和輸出使用的是同一套電路，也就是上面我們分析的電路。

圖中的S0是一個單刀雙擲開關(guān)，往上切換可以將P1.0接到VCC，往下切換可以接到GND。讀取時CPU會通過特定電路獲取圖中橙色導(dǎo)線上的電平。我們想要實現(xiàn)的效果是，讓CPU讀取P1.0端口的電平，從而獲得開關(guān)S0的狀態(tài)。

當(dāng)S斷開時，CPU通過獲取P1.0上的電平可以知道外部開關(guān)S0的狀態(tài)，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作。

而S閉合時，S0往下切換，P1.0確實是低電平。而S保持閉合且S0往上切換時，VCC通過S0和S直接接到GND就短路了。此時電子開關(guān)S通過大量電流，可能會燒壞單片機(jī)。于是我們添加了電阻R0。S仍然保持閉合，S0往上切換。此時P1.0仍然是低電平，于是CPU無法判斷外部開關(guān)S0的狀態(tài)，如下圖。

總結(jié)起來就是在讀取IO口電平時，應(yīng)先設(shè)置輸出高電平（即斷開S），再讀取數(shù)據(jù)。這個規(guī)則適用于所有IO口。

類似的，還可以讀取單刀單擲開關(guān)（或按鍵開關(guān)）的狀態(tài)，讀取前先設(shè)置輸出高電平，電路圖如下。

上面這種電路需要依賴上拉電阻才能工作。P0口由于沒有上拉電阻，需要在外部添加一個上拉電阻（因為如果沒有上拉電阻，并且S和S0都斷開時，IO口變成高阻態(tài)，讀取的電平結(jié)果不確定，于是無法正確判斷S0的開關(guān)狀態(tài)）。

雙向IO口/準(zhǔn)雙向IO口

標(biāo)準(zhǔn)雙向IO口的特點有兩條：

1、在輸出模式下，可以輸出高低電平；

2、在輸入模式下，如果沒有接外部電路，應(yīng)呈現(xiàn)高阻態(tài)。

對于51單片機(jī)的P1、P2、P3口，由于有內(nèi)部上拉電阻，輸入模式下不可能出現(xiàn)高阻態(tài)，所以稱之為準(zhǔn)雙向IO口。而P0口作為IO口工作時，如果不加上拉電阻就無法輸出高電平；而加了上拉電阻，輸入時又不會出現(xiàn)高阻態(tài)，所以也是準(zhǔn)雙向IO口。

備注1：51單片機(jī)的P0口如果工作在第二功能狀態(tài)下，則是雙向IO口。初學(xué)時具體原理不需要研究的很透徹，下面一段對此進(jìn)行分析，僅供有興趣的讀者參考。

對照官方的完整IO口結(jié)構(gòu)圖，P0口內(nèi)部有上下兩個晶體管。當(dāng)P0口工作在IO口模式下，上面那個晶體管斷開，可以直接忽略，前面的等效電路就沒有考慮上面那個晶體管。而當(dāng)P0口工作在第二功能狀態(tài)下，兩個晶體管都可以工作。如果上面的晶體管斷開，下面的導(dǎo)通，就輸出低電平；反之上面的導(dǎo)通下面的斷開，就輸出高電平并且不需要上拉電阻；如果兩個晶體管都斷開，則可以作為輸入，并且在沒有外界電路時呈現(xiàn)高阻態(tài)。所以是雙向IO口。

備注2：關(guān)于雙向IO口和準(zhǔn)雙向IO口的概念存在一定爭議，這里的介紹綜合了網(wǎng)上多方面的觀點，被多數(shù)人所接受。

線與邏輯

如果把兩個單片機(jī)IO口連接在一起會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？下面就是我們的電路圖。

當(dāng)設(shè)置兩個IO口都輸出低電平，即S和S1都閉合時，總體是低電平；而當(dāng)設(shè)置其中一個IO口輸出低電平另一個輸出高電平時，即S或S1閉合，此時兩個IO口上都會呈現(xiàn)低電平。只有當(dāng)P1.0、P1.1都輸出高電平，即S和S1都斷開時，才會呈現(xiàn)高電平。

可以簡單表述成：兩個IO口連接在一起，僅當(dāng)P1.0與P1.1都設(shè)置輸出高電平時，兩者接線上才會呈現(xiàn)高電平。這就是所謂的線與邏輯。不僅是兩個，如果是很多的這樣的IO口連在一起，只有所有IO都設(shè)置輸出高電平，接線上才會呈現(xiàn)高電平。線與邏輯會在后面的矩陣鍵盤中使用到。

總結(jié)

最后總結(jié)起來，主要就是下面幾點。內(nèi)容有點多，但是實際上常用的只有其中的幾點。再次強(qiáng)調(diào)，不需要刻意去記，明白了原理，用多了自然就記住了。

1、灌電流比拉電流能通過更大的電流；點亮LED一般用灌電流方式

2、上拉電阻越小，拉電流輸出能力越大，但輸出低電平時越費電

3、讀取IO口前，要先設(shè)置輸出高電平

4、P0作為輸出，需外接上拉電阻

5、按鍵開關(guān)作為輸入時，接在IO口和GND之間，另外需要上拉電阻

6、51單片機(jī)的四個IO口在普通IO狀態(tài)下都是準(zhǔn)雙向口

7、51單片機(jī)IO口遵從線與邏輯

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